Конспект лекции на тему "Винтовые характеристики"

Винтовые характеристики.

Винтовые характеристики определяются за­висимостями, представляющими собой квадратичную (рис. 14.4,а) или кубическую (рис. 14.4, б) параболы. Зависимость момента со­противления (Н·м) гребного винта имеет вид квадратичной пара­болы и подчиняется выражению

М_в=С'n²                                  (14.6)

Поглощаемая винтом мощность при тех же условиях должна под­чиняться закону кубической параболы

                              (14.7)

где показатель степени при стендовых испытаниях принимается равным 3, в действительности же он зависит от гидродинамических свойств судна и гребного винта и для разных типов судов колеблется в пределах 1,5—3,5 (у большинства транспортных судов он близок к 3).

Если же принимать во внимание сравнительно небольшие поте­ри мощности в промежуточной передаче от двигателя к гребному винту, считая, то при установившемся движении судна и прямой передаче должны существовать равенства между момен­том сопротивления винта и крутящим моментом двигателя

М_в=M_е=С'n²                            (14.8)

и между поглощаемой винтом мощностью и мощностью двигателя

N_B=N_e=C"n³                      (14.9)

Таким образом, при непосредственной передаче мощности (пря­мое соединение двигателя с гребным винтом) нагрузка двигателя по мощности и моменту однозначно определяется его частотой вра­щения п или скоростью v судна, поскольку при неизменных усло­виях плавания v₁/v₂ — n₁/n₂. Отсюда, если необходимо увеличить скорость судна в х раз, во столько же раз должна быть повышена частота вращения гребного винта и двигателя, а это в свою очередь может быть достигнуто путем увеличения крутящего момента дви­гателя в х² раз или мощности в х³ раз.

В практике использования винтовых характеристик часто бы­вает удобно заменить крутящий момент М_е на пропорциональное ему среднее эффективное давление р_е. Правомерность такой замены вытекает из следующего:

М_е = 9550N_е/п, но N_e = Cp_eni,

тогда

                 (14.10)

Винтовая характеристика, проходящая через точку номиналь­ного режима (1), пересекающаяся в этой точке с внешней номиналь­ной характеристикой, когда орган управления подачей топлива находится в положении ТР_ном, называется теоретической или номинальной винтовой характеристикой (поступь винта λ_р1, см. рис. 14.4). Тогда согласно формуле (14.8)

Ре = С₂n²               (14.11)

При изменении поступи винта [путь, проходимый винтом за один оборот λ_р = v_s/(n_вD)], а это возможно при изменении сопро­тивления движению судна, винтовая характеристика меняет свое положение и вид, меняется значение коэффициента С" в уравнении (14.9). Так, при увеличении сопротивления вследствие увеличения осадки судна, усиления встречного ветра или волнения, буксиров­ки, обрастания корпуса скорость судна и поступь винта падают, поэтому гребной винт при той же частоте вращения поглощает боль­ший крутящий момент. Винтовая характеристика, соответствую­щая новому значению поступи λ_р3 = const, на графике располагает­ся левее характеристики. К подобному изменению приводит так­же утяжеление гребного винта (увеличение шагового отношения H/D), поэтому такая характеристика часто называется характери­стикой «тяжелого» винта.

При работе двигателя в условиях неподвижного судна (на швар­товах) λ_рш = v_s/(n_вD) = 0. В этих условиях гребной винт погло­щает наибольший момент, и соответствующая винтовая характе­ристика λ_рш в семействе представленных на рис. 14.4 характерис­тик занимает крайнее левое положение.

При уменьшении сопротивления движению судна, что возмож­но при попутном ветре или уменьшении осадки (плавание в бал­ласте), скорость судна и поступь винта возрастают, и винтовая ха­рактеристика, соответствующая новому значению поступи λ_р3 = const, располагается правее и ниже номинальной характеристики λ_p4 = const. Характеристика λ_р3 = const может быть получена и при установке винта с малым шаговым отношением или с обрезанными по диаметру лопастями, поэтому она называется характеристикой «легкого» винта. Аналогичное положение может занимать характеристика при плавании судна в балласте.

При работе двигателя в условиях «легкой» характеристики за­грузка его оказывается значительно меньшей, чем в предыдущих случаях. В частности, для поддержания номинальной частоты вра­щения (точка 2 на рис. 14.4) от двигателя потребуются значительно меньшая мощность и среднее эффективное давление. Линией R по­казана регуляторная характеристика по предельной частоте вра­щения.

Изменение параметров двигателя при работе по винтовой харак­теристике показано на рис. 14.5, а.

Переход с режима полной нагрузки к малой осуществляется пу­тем сокращения цикловой подачи топлива. Подача воздуха тур­бокомпрессорами с уменьшением нагрузки и частоты также умень­шается, но в меньшей степени. Поэтому коэффициент избытка воз­духа увеличивается (на рисунке показан α_сум). Это влечет за собой рост индикаторного КПД и снижение расхода топлива g_i. Удель­ный эффективный расход топлива g_e в связи с уменьшением η_мех сначала несколько снижается, достигает минимума при п  = 115 об мин, а затем растет. Наиболее экономичная работа двигателя обеспечивается в области (0,82-1) n_ном.

Уменьшение нагрузки и сокращение расхода g_ц приводит к па­дению температуры выпускных газов и максимального давления цикла.

Тепловая и механическая напряженность двигателя в об­ласти малых нагрузок и скоростей меньше, чем при полной частоте вращения. Об этом можно судить по изменению температур в порш­не двигателя RND 68М (рис. 14.5, б, в).